Conception et évaluation de systèmes inclinés fabriqués additivement à haut rendement

Jan 13, 2024

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19477 (2022) Citer cet article

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Détails des métriques

Nous développons un nouveau mélangeur à l'échelle millimétrique (unité de mélange à ailes inclinées, unité TWM) basé sur la conception pour la fabrication additive (DfAM). Le mélangeur à ailes inclinées proposé est essentiellement conçu pour avoir trois ailes séparées qui divisent et combinent les fluides afin de les mélanger efficacement. Sa structure est simple pour une fabrication facile : deux paramètres de conception majeurs : l'angle entre les trois ailes et l'angle de connexion entre les unités inclinées, qui sont optimisés à l'aide de l'analyse de la dynamique des fluides computationnelle (CFD). À partir de l'analyse CFD, nous obtenons le module de mélange le mieux combiné à partir d'analyses de diverses combinaisons d'unités TWM pour un rapport de mélange très efficace. Le rapport de mélange de trois unités combinées atteint près de 100 %, ce qui est validé par l'expérimentation et l'analyse. Nous pensons que le mélangeur à l'échelle millimétrique proposé peut être utilisé dans divers mélangeurs et réacteurs chimiques en continu afin de minimiser l'utilisation de produits chimiques susceptibles de polluer l'environnement.

Le mélange de fluides est un processus important en génie chimique1,2, en génie alimentaire3, en électronique, dans les mines4 et autres. Jusqu'à présent, de nombreuses études ont été menées pour améliorer l'efficacité du rapport de mélange avec diverses conceptions de mélangeurs3,4. À mesure que les progrès de divers domaines industriels et les problèmes environnementaux se posent, le processus de mélange de produits chimiques nécessite des performances élevées ainsi qu'une faible pollution et sécurité2,3,4,5,6,7. Par exemple, le PPO (oxyde de polyphénylène) est l'un des matériaux clés des antennes de communication de cinquième génération (5G) avec de bonnes performances électriques, une faible perte diélectrique et un faible changement dans les performances diélectriques avec une large gamme de fréquences. Cependant, lorsque le PPO est mélangé à l'aide d'un mélangeur de type discontinu, généralement adopté dans les usines chimiques en raison de son faible coût de production, il existe un risque d'explosion et il est difficile d'obtenir un rendement élevé de mélange8. Pour résoudre les limites des mélangeurs discontinus, de nombreux travaux de recherche ont été rapportés sur les mélangeurs continus en raison de leurs performances de mélange élevées, de leur sécurité, de leur facilité de contrôle, de leur évolutivité et de leur faible génération de polluants par rapport aux caractéristiques des mélangeurs discontinus9,10. .

Un mélangeur continu présente certaines conditions de processus telles que le nombre de Reynolds (Re), le type de fluide et la quantité de débit de fluide. En fonction des conditions de mélange, divers mélangeurs continus ont été proposés ; mélangeur chaotique11, mélangeur à surface minimale triplement périodique (TPMS)12, mélangeur à tissage horizontal et vertical (HVW)13 et Kenics14. En particulier, le mélangeur à structure en treillis (LSM) a reçu beaucoup d'attention en raison de son efficacité de mélange élevée par rapport à sa longueur. Il se compose généralement de barres ou de tiges complexes qui se croisent (normalement dix ou plus), et le fluide se mélange lorsqu'il traverse une structure en treillis. Par conséquent, la forme et la structure conçues du LSM affectent les performances de mélange. La conception conceptuelle du LSM a été proposée pour la première fois par Sulzer dans les années 1960, dans laquelle plusieurs barres à l'intérieur du mélangeur effectuent la division et la recombinaison de Baker pour effectuer le mélange des fluides15. Le LSM peut être conçu pour avoir une large gamme de Re allant de dizaines à des milliers de débits de fluide en modifiant le nombre et la dimension des barres pour contrôler le rapport de mélange.

Depuis le premier développement du LSM, l’augmentation du rapport de mélange et l’élargissement du champ d’application ont été les principaux objectifs de nombreux chercheurs. Arimond et coll. ont réalisé une analyse de mixage dans le domaine des mélangeurs passifs à l'aide d'un mélangeur de type Kenics16, et Fradette et al. a effectué une analyse de débit pour un mélangeur à treillis17. Pianko-Oprych et al. ont effectué une analyse de mélange pour un écoulement diphasique et ont montré l'effet d'une structure de mélangeur en utilisant la dynamique des fluides computationnelle (CFD)18, et Li et al. a étudié l'analyse de l'écoulement de liquides non newtoniens pour élargir les applications du LSM19,20. Rauline et coll. ont comparé les performances de plusieurs mélangeurs à l'aide de l'analyse CFD21, et Zalc et al. ont élucidé le principe du mélange dans le LSM par distribution de vitesse22. Heniche et al.23 et Liu et al.24 ont étudié le rapport de mélange du LSM en fonction de la forme d'une structure unitaire. Ghanem et coll. a résumé les études précédentes et compilé les caractéristiques de forme, les principes de mélange et les domaines d'application du LSM25. Hirschberg et coll. effectué un changement de forme pour réduire l'accumulation de pression du LSM26, et Shahbazi et al. tenté d'optimiser la forme des LSM à l'aide d'un algorithme génétique27.